计算机网络之---信号与编码

信号

在物理层，信号是用来传输比特流的物理量，它可以是电压、电流、光强度等形式，通常通过电缆、光纤或者无线信道等媒介传播。

信号主要分为以下两种类型：

• 模拟信号（Analog Signal）：信号在时间和幅度上是连续变化的，例如声音、光波、无线电波等。模拟信号具有无限的可能性，可以表达更丰富的信息，但在传输过程中容易受到噪声干扰，且随着距离增大容易衰减。
• 数字信号（Digital Signal）：信号在时间和幅度上是离散的，通常用两个电平（高电平和低电平）来表示0和1。数字信号比模拟信号更容易处理、抗干扰能力强，但通常需要经过一定的编码和调制过程。

信号传输的特性

物理层信号的传输受到以下几个因素的影响：

• 带宽（Bandwidth）：指信号所占用的频率范围。带宽越大，传输的数据速率越高。
• 噪声（Noise）：噪声会导致信号失真或丢失，因此需要采取措施（如调制、编码等）减少噪声的影响。
• 衰减（Attenuation）：信号随着传播距离的增加，会发生衰减，导致信号强度下降。为了补偿衰减，通常会使用放大器或重复器等设备。
• 延迟（Latency）：信号从源端到目的端所需的时间，延迟较高会影响实时通信的效果。

编码

编码是物理层中的一个重要过程，它将数字数据转换成可以在物理媒介上传输的信号。编码不仅涉及比特流的转换，还需要考虑如何保证信号在传输过程中有效传递并抵抗噪声。

编码的目标包括：

• 数据传输的有效性：通过编码提高数据传输的效率。
• 抗噪声能力：选择合适的编码方式可以提高信号的抗干扰能力，减少错误率。
• 同步问题：确保发送方和接收方能够正确同步信号的开始和结束。

基带编码（Baseband Encoding）

基带编码是指将原始数字信号直接映射到传输信号上，不进行频率变换。这种方式常用于短距离通信，如局域网（LAN）中。常见的基带编码技术包括：

• 非归零编码（NRZ, Non-Return-to-Zero）：信号在高电平表示1，低电平表示0，且信号持续一段时间不归零。优点是简单，缺点是长时间连续的相同值会导致同步问题。

• 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：在每个比特时间内，信号由高电平到低电平或由低电平到高电平变化，确保每个比特都有一个电平转换，用于同步。虽然提高了同步性，但效率较低，因为每比特需要两个电平变化。

• 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）：比曼彻斯特编码更稳定，在每个比特的中间进行电平切换，以减少误码率。

• 极性反转编码（Polar RZ）：0用负电平表示，1用正电平表示，并且在每个比特周期的中间返回零电平。

宽带编码（Broadband Encoding）

宽带编码将信号的频谱分配到不同的频段，这种方法通常用于长距离传输或无线通信。常见的宽带编码技术包括：

• 调制（Modulation）：通过将数字信号转换为模拟信号的方式，在特定的频率范围内进行传输。常见的调制技术包括：

  • 幅度调制（AM, Amplitude Modulation）
  • 频率调制（FM, Frequency Modulation）
  • 相位调制（PM, Phase Modulation）

• 正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：在多个正交频率信道上同时传输数据，可以提高带宽利用率，减少信号间的干扰。它广泛应用于无线通信、Wi-Fi、LTE等技术。